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产品原因仆街的技术性分析(欢迎讨论)

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平衡小虾

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发表于 2014-9-2 21:23:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
说到仆街的原因或者原理,必须从自平衡车的原理说起。

一、自平衡基本原理
所有前后方向具有自平衡功能的车辆,双轮或者独轮,都是基于倒立摆原理。自平衡车实际上是一个比较简单的单级倒立摆系统,只是由于有驾驶员的操纵,为这个简单的单级倒立摆系统引入了一些非线性因素,但是也并不复杂。

倒立摆-百度百科:http://baike.baidu.com/view/1163871.htm (IPS原来是倒立摆的意思!!长姿势了!)
倒立摆视频-LEGO自平衡小车:http://my.tv.sohu.com/us/63285453/59947816.shtml

简单文字描述如下:
1)最简单的自平衡车系统,包括控制器、姿态传感器和执行器(电机),以及必要的电源(电池)和结构零件(让小车组合在一起具备功能)。其中,控制器能够测量姿态传感器输出的姿态信息,并比较精确地控制电机运转;姿态传感器可以每秒输出100-500次姿态数据(俯仰、滚转、方向);执行器(电机)可以提供整车运动的动力。
2)当驾驶者向前倾斜身体时,会带动车子向前倾斜。此时控制器可通过姿态传感器感知到这个倾斜,并命令电机向前旋转。这样,驾驶者前倾的时候,车子也会往前走,从而“追上”打算往前倾倒的驾驶者,保持动态平衡。
3)当驾驶者身体向后仰时,会带动车子向后倾斜。此时控制器可通过姿态传感器感知到这个倾斜,并命令电机向后旋转。这样,驾驶者后仰的时候,车子也会往后走,从而“追上”打算向后倾倒的驾驶者,保持动态平衡。
4)控制器每秒钟执行100-500次2、3的过程,不停地测量车子姿态,不停地调整电机的转动方向和转速。这样就保持一个动态的平衡。不管驾驶者往前还是往后倾斜,车子都会自动“追上”驾驶者,保持平衡。

参考文献:
美国专利:Personal Mobility Vehicles and Methods,U.S.Patent No.6,302,230 B1,Oct.16,2001
中国专利:CN02807642-使用重心及质量移位控制系统的车辆和方法,2010


主要影响自平衡性能的几个因素是:
车子方面:
1)电机的响应速度(专业名词:机械时间常数)2)电机的扭矩和功率(稍后详细分析)
3)能源供应功率(电池的持续输出功率和最大输出功率)
4)控制器的控制算法水平和反应时间
5)轮胎抓地性能。

驾驶者方面:
1)驾驶习惯
2)路况
3)驾驶者对自己车子的了程度

接下来逐一分析。
==========================================
先说电机。
大部分自平衡车产品都是用的无刷直流电机。主要是因为有刷电机的使用寿命一般只有几百或者一两千小时,虽然技术简单、成本低,但这么低的寿命,显然不适合用在可靠性事关人身安全的产品上面。(别提思维翼那类的货啊。)
百度百科-无刷直流电机 http://baike.baidu.com/view/1410721.htm

高档的双轮自平衡车,基本用的是高转速电机+齿轮减速器的组合;电机转速比较高,一般在2000-4000RPM,通过减速齿轮把速度成倍降低,同时也成倍地提高输出扭矩。由于减速器的存在,这种形式的电机启动迅速、反应快,扭矩相对较大,因此大都用于高性能场合。但是要做好齿轮减速器不容易,成本也高,减速器质量不好的话,噪音大、效率低,而且有时候会出现齿轮损坏卡死的情况。一旦齿轮卡死,仆街基本是必然的了。

低档双轮自平衡车或大部分独轮平衡车,都采用低速直驱电机,俗称直驱轮毂电机,由于省掉了齿轮箱,因此结构比较简单,可靠性高,但是由于直驱电机没有齿轮箱,就需要电机直接输出很大的扭矩和较低的转速,就造成需要很多绕组极对数(可以自己百度一下),绕组多了、磁钢也就多了,绕组所用的硅钢片也就多了,因此整个电机势必尺寸大、沉重。而且电机转子重了,其惯性必然增大,响应速度是无法和同样参数的高速电机+减速器的方案相比的。直观来说,就是轮毂电机的反应较为迟钝。大家很容易理解,反应比较快的电机,相比反应比较迟钝的电机,更不容易让驾驶者仆街。Rockway的齿轮减速电机,是造成其性能强劲的主要原因,也是造成其号称噪音接近拖拉机的主要原因。

直流电机的特点是,电机的输出扭矩与他的绕组所通过的电流(相电流)成正比。因此,只要控制器的设计功率足够,理论上可以让一个小独轮车爆发出大卡车的扭矩来。
我们知道,只要扭矩足够,自平衡车就基本可以确保可以跟上驾驶者的急加速、急刹车等各种剧烈动作。甚至可以(不严谨地)说,只要扭矩足够,永远不会动力不足而仆街。当然实际上由于绕组铜线的电阻会造成电流越大发热越严重,以及绕组的硅钢片有磁饱和的极限,电机的输出扭矩是不可能无限制增加的。尤其是在高速情况下,电机的最大扭矩会迅速减小;因此对同一款产品来说,驾驶速度越高,仆街的可能性就越大。为什么呢?下面就需要引入“反电动势”的概念。(不想详细了解的可以绕过此段,只需要了解速度越高越容易仆街就好了)

百度百科:反电动势 http://baike.baidu.com/view/960986.htm?fr=aladdin
反电动势可以通俗地理解为电机自身抵抗转速无限制升高的一种特性。当电机设计确定后,唯一决定其反电动势的因数就是转子的转速。随着转子速度的增加,反电动势也随之增加。电机转的越快,反电动势越高;而反电动势一旦升高到等于电机输入电压,那么输入电压与反电动势之差等于零了,这时候电机的转速就再也上不去了。这个时候的转速,就是电机的空载转速。可以看出,由于电机的反电动势只与转速相关的,那么一旦电机选定了,制约自平衡车能跑多快的因素,就只剩下供电的电压了。电压越高,反电势与供电电压平衡时的对应转速就越高,也就是说电压越高,电机的极限转速越快。再也就是说,对同一个自平衡车来说,电压越高,极限速度就越高。
当然,对不同的电机来说,我们不能认为电压越高的车,跑得越快。毕竟不同的电机,有完全不同的反电动势常数。
反电动势与转速成正比这个特性导致:电机转速越高,电机所能容许通过的电流就越小(不管控制器实际能输出多少电流),也就是说电机转速越高,电机所能输出的最大扭矩就越小。(电源与反电动势之差小了,而绕组铜线的直流阻抗是不变的)。这就是为什么仆街都在高速。速度一旦接近电机的额定或者空载转速了,它所能提供的扭矩就很小,当驾驶者做加速或者减速的动作时,电机就很难让车子跟上;一旦跟不上,就仆街了。

综上所述,电机特性是仆街的第一个重要因素。

这里不得不补充几句关于电机功率的话题。由于电机输出功率P = 0.1047×转速×负载扭矩,因此每个车子的电机功率都不是一个恒定值。不同的速度、不同的体重,都会导致电机功率的变化。完全没有必要以标称功率来衡量一个车子是好还是不好。
各品牌的自平衡车,包括赛格威,标称1000多瓦或者2000多瓦,实际指的是短时最高功率。对于双轮自平衡车,假设驾驶者体重75kg,以15km/h匀速行驶时,它的输出功率通常也就200-300瓦;对于独轮自平衡车来说也就是150-200瓦。那么1000瓦或者2000多瓦的意义在哪儿?
一方面这个可以说是功率储备。举个例子,15km/h匀速行驶的某自平衡车,突然遇到一个减速带。在翻过减速带的瞬间,电机功率可能一下子需要飙升到800-1500瓦。在静止状态剧烈加速的时候,电机功率可能也会飙升到800-2000瓦(根据加速剧烈程度不同)。另一方面,由于自平衡车的功率是动态变化的这个特点,大家也都不知道用什么统一的标准来标车子的功率了。。
我个人看来,车子的爬坡性能和最高安全速度(注意:是最高安全速度),某种程度上比标称的功率更重要。这两个参数直接反映了车子的性能和安全性。


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 楼主| 发表于 2014-9-2 21:23:46 | 显示全部楼层
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再说电池。
自从Tesla反人类地使用6000多个18650电池组来构成其Model S的电池组后,大家都开始用18650锂电池了。18650电池,目前用在电动车上的主流包括三种,钴酸锂材料,磷酸铁锂材料(Solowheel、比亚迪)三元聚合物材料(Tesla Model S,SONY V3,三星P系列,LGC-ME\MF\MG系列),关于锂电池的几个科普贴:

磷酸铁锂和锰酸锂的性能比较 http://blog.sina.com.cn/s/blog_4cffe8e00101etve.html
三元锂电池应用或将替代磷酸铁锂电池?http://www.365powernet.com/n/2013-03-11/n11362979190214.html

钴酸锂电池容量大,电压高,价格低。但是安全性存在重大问题,前些年爆出过不少手机电池爆炸、笔记本电池起火,就这种材料。目前自平衡车行业,凡是负责的厂家应该基本没有用钴酸锂电池的。
磷酸铁锂电池安全性最高,单体循环寿命长,但容量小,电压低,低温性能不佳,最致命的问题是其化学成分决定了电池的一致性不好。因此磷酸铁锂电池一般做成电池组的话,尽量用大单体,很少有人用18650电芯;18650电芯单体小,一致性不佳的问题会导致用磷酸铁锂电芯构成的电池组,其整体寿命会很糟糕,远远达不到单体电芯的寿命。某品牌宣称磷酸铁锂电池的安全性和循环寿命,纯属对电池了解不够,经验不足。

三元材料锂电池有很多配方,但概括地说,容量较大,电压高,安全性近年来也已经很高(Tesla敢用6000多个三元锂电芯,放在乘客屁股和脚底下!)。基本自平衡车行业都在用了。但是三元锂电池循环寿命不如磷酸铁锂电池,因此需要通过降低充电上限、提高放电下限的方式来延长寿命。有测试报告显示,同一个三元锂电芯,充电到4.2V、放电到2.5V截止,其循环寿命约600-800次(以循环后剩余80%容量计算);如果充电到4.1V、放电到3.0V截止,则循环寿命可提高到1800-2000次。这样的话,放电容量有损失,但寿命延长。就看厂商如何取舍了。(也许很多厂商根本不知道这个问题!)

同样是三元材料锂电池,有容量型和功率型。以18650型号来说,目前容量型最大可以做到3500mAh左右,即3.5Ah×3.7V=12.95Wh。但这种电池基本只能以2-3A的电流放电,电流再增加的话,发热严重、电压掉得厉害,无法给车子用。功率型一般是1500~2200Ah,连续放电电流可以达到5-15C,即7.5~16A,这样电流的基本上足够自平衡车安全使用了。松下、LG、三星等厂商也有折中型的方案,例如松下的18650PF这款电池,2900mAh容量,连续放电可以达到10A,算半功率/半容量型。Tesla Model S就是用的这个电芯。

科普完毕进入正题。电动平衡车的电池,到底什么参数重要?容量重要还是成分重要?什么是可能导致仆街的关键指标?

假设我们在某平衡车车上用了Sony 18650V3的电芯,电池组结构为16串1并,电池组的额定电压是59.2V,电池容量=3.7V×2.2Ah×16=130Wh。我们可以从SONY官方的数据手册中知道,V3这款电芯的最大持续放电电流是10A,由于电池输出功率=电压×电流,可以算出这个电池组的最大功率是:59.2V×10A=592W。问题就来了:如果在急加速时,电机消耗的功率超过592W(由上一小节,我们可以看出急加速或者路面坑洼时,功率很容易超过600瓦的),那么这个电池组的电压可能会急剧下跌、甚至会产生短路保护。这时候,就算电机的功率是5000W也没用,电池释放不出那么高的能量来。能源供应不足同样也只能导致仆街了。

如果以上电池组是16串2并结构,那么电池组的电压不变,但是由于每2个电芯并联,因此容量提高了一倍到260Wh,同时其放电能力也提高了一倍。最大功率就可以加倍到约1200W。这种情况下,应对大部分情况都不会出现功率不足而仆街的可能性了。而另一种情况,如果用15串1并结构,但采用15C的高倍率动力电池,虽然其电池组容量仅有3.7×1.5×15=83Wh,但因为放电倍率达到15C,因此最大放电功率可达1250W。

这里可以得出结论了。电池数量、电池组容量与仆街安全性没有直接关系;容量只影响续航。电池放电功率是影响安全性的最重要指标。

顺带补充一句,选购电池组产品的时候,目前最通行的安全性测试标准是UN38.3测试(联合国和国际航协IATA为锂电池设立的航空运输安全性测试认证),这个测试包括跌落、过充、过放、低气压、高频振动、撞击和穿刺等安全性试验。如果通过UN38.3测试的电池组,其安全性应该可以放心。
相比电池安全性,充电器安全性是个更大的问题。很多品牌使用带风扇的充电器。这种充电器完全靠风扇风冷散热,由于大部分用户在给车子充电时,不会一直蹲守着充电器,一旦充电过程中风扇堵住或者停转,充电器冒烟起火,其危险性和造成重大损失的机率可能远大于电池起火的几率。已知的好几起电动车充电时起火事故都是充电器起火燃烧造成的。

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下面需要说说控制器了。

控制器是自平衡车的核心,很大程度上决定了车子的性能。主要几个关键细说一下。
1)陀螺仪。大家所说的陀螺仪,其实应该叫AHRS(姿态方位参考系统),通常是三轴陀螺仪+三轴加速度计的组合。通过三轴陀螺仪+三轴加速度计,可以解算出传感器所处的空间姿态(俯仰、滚转、方向)来。有厂家号称用了航天级陀螺仪。我是用过真正的航天级陀螺仪的。高精度高可靠性陀螺仪,如光纤陀螺,尺寸比较大且不说,那个功耗和价格,根本不是几千一两万元的自平衡车用得起的,有这么宣传的可以说纯属鬼扯。据我所知,自平衡车上用的,大多是商用级MEMS(微机电)陀螺仪,少数用了工业级陀螺。其实无论商用级还是工业级,性能都足够了。毕竟操纵自平衡车的驾驶员的运动灵敏性,比起飞机导弹来说,差了很多个数量级。
光纤陀螺:http://baike.baidu.com/view/3832550.htm

真正关键的是,由于商业级或者工业级陀螺仪的制程原因,偶尔会出现一些输出的毛刺或者跳变。这就需要厂家在车子出厂前,需要对车子的AHRS传感器进行校准。具体校准过程就不展开说了。只说结论:未经校准的陀螺仪,在某个温度范围或者某个角速率区间内,其输出信号有一定几率出现大幅度跳变。这种跳变带来的结果也就是电机运转方向完全不正确:导致仆街。

2)处理器。有些厂家号称用了XX OS,内置操作系统。实际上自平衡车的控制系统基本算法并不复杂,要说复杂的往往是安全保护(翘板机制、电量检测机制等)、异常处理(如翻车后的对策)等算法;并且自平衡车控制系统的基本功能,比如姿态数据测量和处理,电机的伺服控制等功能,要求实时性很高,一般电机的控制周期需要在10-100Khz(每秒钟完成1万-10万次控制操作),姿态测量和结算的周期在100-500Hz(每秒完成100-500次姿态解算和处理)。而操作系统是一个中间层软件,一般来说,多任务操作系统可以带来多任务同时运行的好处;但是相对的,坏处是反应变慢,专业地说叫做“系统实时性不足”。对于几百Hz的姿态控制周期,以及10-100kHz的电机伺服控制周期来说,目前没有任何实时操作系统可以达到100kHz这个级别的实时性要求;而且自平衡车控制器也没有多任务需要并行处理——它只需要精密地保持好平衡就足够了,最多加上一些灯光和喇叭的控制。好吧,我的结论也是:自平衡车操作系统XX OS,好听地说是纯属扯淡,上纲上线地说,很可能属于欺骗消费者。

实时操作系统:http://baike.baidu.com/view/18308.htm?fr=aladdin
常见操作系统的实时性对比:http://linux.chinaunix.net/techdoc/develop/2008/12/29/1055630.shtml
实时操作系统的实时性对比:http://wenku.baidu.com/link?url=j-_-lFXEnbJgFhnZNl3qB80hex0ybvDcVf2Uttj7bw8Ym-cn1d2GYSsJN3sSCUQGFgKKE2xanKgVA1oBcJKl6bGMKSaC8bJCLXVfB3W2fue


3)电机驱动单元,MOS管。由本文上述分析可知,自平衡车的功率,2000-3000W的瞬间功率就顶天了。那么,70V/70A的MOS管,即大量独轮车的MOS管选型,都可以提供额定3000-4500W的输出功率。足够满足自平衡车的动力要求。12管或者号称24管的,可能会降低MOS管的发热(多个MOS管并联,分担功耗),但是不会对提高仆街的极限产生什么帮助。Ninebot E型所使用的 IRFP4227这款MOS管,电压达200V,电流达到130A。这个管子可以说功率过剩,甚至把电机的引线直接短路接到MOS管上,MOS管都不会过载烧坏(电池输出能力是有极限的,总电流大小不会像真正短路状态,不是无穷大),但并不意味着Ninebot E型的输出功率可以逆天;一句话,MOS管的额定电压高于电池电压的1.2倍,MOS管的最大电流超过车子最大允许电流2倍就足够了,更高的部分参数,更多的管子,有助于提高如短路、飞车等极端情况下的可靠性,但对防止仆街没有什么大的帮助了。


4)控制器程序算法:控制器程序/算法可以说是对于防止仆街的最重要因素,没有之一。
首先,程序需要对车子使用的电机、电池以及陀螺仪、机械结构等,建立较为精确的安全运转范围的数学模型。在安全运转范围内可以正常运转,超出此范围应该报警,并且主动干预,加以限制。以翘板限速机制为例。很多自平衡车的限速机制比较简单:当速度超过某个值时,翘板,阻止用户加速;如果用户强行加速,继续提高翘板角度;如果用户还强行加速,就直接切断电源、导致仆街。
实际上,体重30kg的小朋友,和体重100kg的大胖子驾驶同一款车、同一速度的时候,车子的输出功率差别很大;同一个人在平地驾驶和10度的坡度上驾驶,车子的仆街极限也差别很大。单纯用速度来限制,是造成仆街现象无法杜绝的最根本原因。再举一个例子,电池满电的时候,我们可以全速上一个陡坡;但电池电量快用光的时候,我们还全速上同一个陡坡,多半会仆街。
一句话,必须通过动态的安全运转范围模型,来计算出对于不同体重、不同地形,不同电量甚至不同气温下的限速翘板阈值。
据我所知,Segway用的是一套综合机制,并不是速度达到一定程度就翘板。他的翘板机制结合了速度、电量、负载甚至上坡下坡角度等因素。我们在Ninebot 和Ninebot One上用的是后一套机制。对不同体重,不同地形(坡度/崎岖等),不同电量和不同的温度,控制器会通过测量多项数据,有一套经过验证的算法来决定翘板的时机。这个算法在Ninebot上已经得到验证,相对比较可靠了。另外由于Ninebot One具备OTA机制,可以随时更新固件,因此其限速翘板机制可以不断优化,用户可以远程升级。

5)更多安全因素:实际上,接插件的品质和接触点的可靠性、焊接工艺的质量、电路板是否有防锈/防腐蚀、防潮、防震动的三防工艺,才是决定控制器硬件品质的主要因素。电源插头的质量和接触牢靠程度、电机线的接插件品质和防水性,等等。电子行业的朋友都知道,接插件是影响产品可靠性的最大因素之一。用料很好,算法很成熟,电池也很好,可是由于电机或者电池的接插件接触不良而导致仆街,就前功尽弃了。

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最后说说驾驶问题。

自平衡车与汽车不一样,自平衡车属于静不稳定系统,完全依赖系统的可靠工作才能保持平衡;系统一旦故障,仆街在所难免。
在高档一些的双轮自平衡车上,某些关键部件会有双余度热备份设计,例如Segway的电机、电池与Ninebot E型的电池和传感器。但是,双余度不是万能良药,3余度、4余度的飞机还会失事坠毁呢。最大的安全保障是良好的驾驶习惯,不猛加速,不猛刹车,不在危险的道路上行驶,和机动车保持至少2米的距离(确保一旦仆街后卡车不会碾过你的头。。),戴好头盔行驶,夜间行车一定要打开大灯,车子一定要有刹车灯、示宽灯或其他能让车辆和行人注意到你的灯光。从我们的经验来看,驾驶安全性,80%以上取决于驾驶者本人。

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后记:用通俗的方式讲这些内容难度很大。欢迎藏龙卧虎的各位高人参与交流,指出我文中的缺陷与问题。欢迎讨论交流。欢迎拍砖。
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发表于 2014-9-2 21:47:13 | 显示全部楼层
太专业了不适合菜鸟级车手
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  • TA的每日心情
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    [LV.6]常住居民II

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    发表于 2014-9-2 22:51:22 | 显示全部楼层
    确实很专业,回帖再慢慢研究
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    发表于 2014-9-3 09:24:04 来自手机 | 显示全部楼层
    楼主您好,我希望与您交流学习,我和您一样对ninebot很熟悉,您看下方便时候加我QQ419986466,或者您留个联系方式给我。谢谢。
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    发表于 2014-9-3 09:32:25 | 显示全部楼层
    Molstr 发表于 2014-9-3 09:24
    楼主您好,我希望与您交流学习,我和您一样对ninebot很熟悉,您看下方便时候加我QQ419986466,或者您留个联 ...

    看出来您是公司研发的吧?很希望与您交流。
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    平衡英雄

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    发表于 2014-9-3 11:01:46 | 显示全部楼层
    好长的文字,看完有点眼花了!
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  • TA的每日心情
    开心
    2015-7-7 09:43
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    [LV.1]初来乍到

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    发表于 2014-9-3 15:26:00 | 显示全部楼层
    首先赞一个,写的非常专业。

    有几点补充:
    1、“电机的输出扭矩与他的绕组所通过的电流成正比”
    这句话理论上正确,教科书都这么写,实际上大部分场合也正确。
    但是,如果电流很大,那么磁心会饱和,导致扭矩不随电流增加而增加,或增加缓慢,由此会产生后果。。。
    2、“电机输出功率P = 0.1047×转速×负载扭矩”
    这个0.1047的系数应该解释一下是2*pi/60,转速的单位是rpm,扭矩的单位是牛米。
    3、电机功率储备的另外一个常见用途,是较高速度爬坡。
    4、记得Tesla Model S是用了7000多块电池。
    5、陀螺仪+加速度计,独轮平衡车用的最多的是InvenSense的MPU-6050。
    6、有关MOS管的选择和余量设计问题,这个等我有空再说两句。
    7、有关再生制动方面的话题,厂家说的很少,误解很多,能否做个补充。
    IPS T260, GotWay MCM,GotWay Msuper
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    平衡小虾

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     楼主| 发表于 2014-9-3 16:38:05 | 显示全部楼层
    bg2vo 发表于 2014-9-3 15:26
    首先赞一个,写的非常专业。

    有几点补充:

    本帖纯属科普,某些地方没有很严谨地加上限定条件。如果搞得太严谨就成了论文了。
    欢迎补充意见,大家一起提高整个行业的认识水平。
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    平衡难人

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    发表于 2014-9-3 19:07:12 | 显示全部楼层
    车子方面:
    1)电机的响应速度(专业名词:机械时间常数)
      这个响应速度是不是指平衡车精度?  前阵子看乐行采访说到要使平衡车精度将达到0.01度,原来听过一个做航模的公司说目前的平衡车精度差,不适用于工业化需求
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